在銅和硬質合金上金剛石膜的沉積研究

2008-10-27 劍氣書生真空技術網整理

金剛石薄膜有許多優異的性質，存在著廣闊的工業應用前景。但在金剛石薄膜的應用中，存在著一些相關的技術或經濟困難：如金剛石薄膜與基體的附著較差，產品的成本過高等問題。本論文就金剛石薄膜在銅上的制備及其附著力進行了詳細的討論。另外，利用Cu植入后改善了金剛石薄膜在WC-Co硬質合金上的附著力，并探討了微波法中利用乙醇和氫氣作為氣源時金剛石薄膜的沉積工藝。

銅上金剛石薄膜的制備有很大的困難，主要原因在于銅與金剛石之間沒有化學反應，無相應的碳化物生成；同時銅和金剛石的熱膨脹系數的差異過大。本文首先研究了高純銅片上金剛石的形核，采用亞微米金剛石涂層顯著地增強了金剛石在銅上的形核密度，并且通過氫等離子體的處理將金剛石小顆粒部分地嵌入到銅基體內，使金剛石薄膜和銅基體之間形成機械錨合，有利于金剛石薄膜附著力的提高。其次采用鎳作為中間過渡層，著重討論了施加鎳過渡層后金剛石薄膜的制備工藝。研究表明：鎳過渡層在高溫氫等離子體的處理下形成的銅鎳合金增強了銅基體的強度，在引入碳的情況下經高溫氫等離子體處理形成的銅鎳碳氫共晶體系可有效地抑制鎳的促石墨化作用。碳的引入可以通過金剛石研磨或含碳的等離子體處理兩種方法。鎳過渡層可顯著地增強金剛石薄膜的附著力，其主要原因在于銅鎳碳氫共晶體系的生成，位于共晶體表面的碳原子或碳原子團起到了金剛石晶核的作用，在此基礎上生長的金剛石薄膜與基體的結合由原來的物理吸附或機械錨合變為化合鍵結合。在利用鎳過渡層增強薄膜的附著力的同時，提出三步法以釋放金剛石薄膜的熱應力，得到附著良好，較為平坦的金剛石/銅復合材料。

利用金剛石薄膜涂層制備的硬質合金薄膜工具可以顯著的增加工具的使用壽命和加工性能，并用來加工一些非鐵金屬，如Al及其合金。但硬質合金中Co的存在降低了金剛石薄膜與硬質合金的黏附性能，酸蝕脫Co可以抑制鈷的催化作用，但由于脫鈷對基體強度的破壞，金剛石薄膜的附著力仍然較差。本文采用銅植入層替代硬質合金表面的鈷，很好地抑制了鈷的催化作用，同時又基本上沒有破壞基體表面的硬度和韌性，在此基礎上研究了沉積條件對金剛石薄膜的制備及附著力的影響，分析了金剛石薄膜附著力得到加強的機制，得到了較為優化的制備條件。另外采用Cu/Ti復合過渡層研究了WC-TiC-Co硬質合金基體上金剛石薄膜的制備及其黏附性能。

化學氣相沉積制備金剛石薄膜的研究工作大量采用CH₄-H₂氣體。而甲醇、乙醇、丙酮作為氣源的研究主要出現在熱絲法中。本文利用微波等離子體以乙醇作為含碳氣源研究了金剛石薄膜的制備工藝，著重討論了乙醇濃度、沉積溫度和氣壓對金剛石薄膜的質量和沉積速率的影響。在較低氣壓和低襯底溫度下金剛石薄膜的制備具有良好的紅外透過率和表面光潔度，在光學窗口及其保護涂層方面有良好的應用價值。